0

0
0

文字

分享

0
0
0

使熱氣隱形的藝術

國科會 國際合作簡訊網
・2012/06/25 ・1201字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

一個研究團隊選擇在這個酷寒的天氣裡介紹一個提防 …… 熱氣的新概念。將菲涅爾研究所(Institut Fresnel,由法國國家科學研究中心 [CNRS] 和埃克斯—馬賽大學 [université Aix-Marseille] 共同組成)與巴黎中央理工學院(École centrale de Paris)設計的保護塗層塗在手上,這隻手接近暖氣時就感覺不到的熱流—學術用詞是「溫度梯度」。這是防止微型電子元件因過熱而造成性能損失,或者讓熱量更能集中在太陽能設備以提高性能的必要物件。

保護塗層可用於保護電子元件。圖片來源:physicsworld.com

當然,這個概念目前只是一個理論,但是首次實驗應該很快就會進行。其構想是操縱等溫線,這些隱形線上的溫度是相同的,可以設置障礙物隔開以保護之,或者將這些線集中在某些點上,以便集中熱量。在第一種情況下,熱氣會繞過受保護的對象,不會穿透之,接著再重組成無障礙時的樣子。第二種狀況就像把熱量夾到一個特定的區域內。關鍵在於找到合適的材料塗層和適當的安置方式,以便「雕塑」這些等溫線。

這項實驗刊登在《光學快遞》雜誌(Optics Express)上,靈感來自研究員於 2006 年提出的「隱形斗篷」概念。這些尚未充分開發的設備可以讓巧妙覆以材料的物件從視線中消失。

銅、矽、聚合物

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

法國團隊採用相同的數學技術來改變物體周圍的幾何,以免破壞現象的傳播。但是熱方程式是一種電磁波,不像光或聲音方程式一樣可以寫下來,因此必須驗證想像中的轉變確實具有物理上的意義,還必須驗證熱量會在數位模擬中持續且正確傳遞。菲涅爾研究所的 Sébastien Guenneau 解釋:「我們已經發現數種寫入熱方程式的方法,一旦選對了,就能運作」。公式要詳盡描述如何安排具有一層或多層保護層的金屬或絕緣體來引導熱量。

因此,要讓半徑 150 微米的汽缸對熱流不敏感,需要塗上 20 層總厚度為 150 微米的不同材料。Sébastien Guenneau 重申:「就光學角度而言,也需要具對比電磁性能的不同材料,但是選擇性還是遠比熱量小,所以應該更容易製造設備來測試我們的想法。」

里耳微電子暨奈米科技研究所(IEMN)的研究團隊已經開始執行初步工作。Nathalie Rolland 宣稱:「我們對此充滿熱情。這個概念是原創且具有前景的」。她所屬的實驗室專門從事微米加工,已經開始切割銅、矽及聚合物,以便建立隔熱板和集中器的初步原型。Sébastien Guenneau 表示:「要強調的是,受保護的物體會加熱一下,但是溫度會保持恆定,而且永遠比源頭溫度還要低一半。」

這名研究員早就在研究不同波長的隱形性,他也是偶然產生了這個想法。他回憶道:「在面對歐盟評委員時,一位專家問我地震波的研究是否也能應用於其他現象,例如熱擴散現象」。因為沒有答案,他便開始進行研究,而那位富有想像力的對話者 Claude Amra 便成為其合作者之一。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

作者:駐法國代表處科技組
資料來源:L’art de rendre invisible la chaleur—法國《世界報》(Le Monde) [2012-03-02]

*編註:法文報導原文連結已失效,有興趣的讀者可參考 physicsworld.com 的這篇英文報導

轉載自國科會國際合作簡訊網 [2012-04-10]

文章難易度
國科會 國際合作簡訊網
47 篇文章 ・ 3 位粉絲

0

8
2

文字

分享

0
8
2
快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
196 篇文章 ・ 300 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

1

35
4

文字

分享

1
35
4
小鼠研究指「間歇性禁食」可延年益壽——重點不在總熱量,延長用餐間隔才是重點!
台灣科技媒體中心_96
・2021/10/24 ・2682字 ・閱讀時間約 5 分鐘

2021 年 10 月 18 日,國際期刊《自然醫學》(Nature Medicine)公開的一篇研究論文,探討飲食模式和改善生理健康之間的關係。研究將小鼠總共分為五組:(1)自由取食、(2)限制 30% 的熱量攝取,但沒有禁食期、(3)限制 30% 的熱量攝取,半天內給食三次,另外半天禁食、(4)限制 30% 的熱量攝取,每天只給食一次,其他 21 小時禁食、(5)熱量攝取總量不變,但每天禁食 21 小時。

研究運用液相層析質譜儀(Liquid chromatography–mass spectrometry),以及轉錄組分析(Transcriptional profiling)等方法,發現僅「禁食」而沒有減少攝取的總熱量,就足以得到在限制熱量的飲食模式時出現的大部分代謝與核酸轉錄的特徵,以及延長壽命、防止衰弱等健康上的好處。

該研究歸納出以下三大結論:

  1. 過往研究限制熱量攝取的好處時,無法分辨原因是「總卡路里攝取下降」還是「有規律的長時間禁食」。這篇研究協助釐清熱量限制帶來好處的原因,發現單純禁食而並不減少總熱量攝入,就足以達到有助代謝和延緩老化這些健康效果。
  2. 研究是在特定的條件下所觀察到的現象,不同性別及不同品系的小鼠,禁食的效果就不同,無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。
  3. 禁食很可能是限制卡路里攝取時,可改善健康和長壽所必需的關鍵。如果可以證明適用於人類,未來可能幫助人們在不需要減少卡路里攝取總量的情況下,也能延緩老化、促進健康。
圖/Pixabay

大爆吃再間歇性禁食更健康?仍有待證實

臺大醫學院腦與心智科學研究所教授王培育指出,適當的飲食限制對於促進代謝、預防疾病及延長壽命的益處已是廣為人知。然而在早期用酵母菌、線蟲及果蠅作為實驗對象的研究中,受限於實驗模式,大多是以稀釋食物中的營養成份且自由飲食的方式來觀察飲食限制的好處 [1][2][3]

而在哺乳類中,小鼠或猴子實驗則是以每日一到二次或數日一次的方式,餵食正常食量的 40-80% [4][5],因此,一直以來飲食限制所帶來的好處被認為是降低日常飲食中卡路里的總量所導致。但是這些傳統的觀點在近年來的研究中已是備受挑戰,例如每日限制時間或食物量的餵食或禁食(於幾個小時內自由飲食或吃完定量的食物),也可明顯的達成健康長壽的好處 [6]

所以,重要的究竟是卡路里減量,還是禁食?本篇研究利用特定品系的小鼠,以系統性的方法實驗數種飲食的模式並且分析多種代謝及生理指標。結果顯示適當的禁食,可能是影響健康指標的關鍵,然而這是否意味著大吃大喝但間歇性的禁食是比少量及少餐更好的選擇呢?有待日後有更多的研究證據來說明。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

規律禁食/進食,比總熱量攝取更重要

王培育也指出,這份研究僅使用了兩種品系的公、母小鼠進行研究,便可觀察到飲食限制對於不同性別及兩種品系小鼠的生理反應造成許多的差異,顯示本研究是在特定的條件下所觀察到的現象,無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。

這份研究提供一個重要的概念,適當的禁食可以達成傳統的飲食限制(禁食加上卡路里減量)對身體健康的好處,因此營養均衡、不必在卡路里上斤斤計較,一樣可能擁有健康長壽。

王培育指出,這份研究詳盡的比較了長期限制總熱量攝取與間歇性禁食,對代謝、老化以及壽命的影響,結果也顯示了有規律的間歇性禁食也許就足以帶給我們健康上的各種好處。這告訴我們,吃什麼、吃多少固然重要,何時吃以及飲食是否規律也許更重要。這結果與上月一篇發表在期刊《自然》(Nature)上的果蠅間歇性禁食實驗結果不謀而合 [7]

這份研究提供一個重要的概念,適當的禁食可以達成傳統的飲食限制(禁食加上卡路里減量)對身體健康的好處。圖/Pixabay

「禁食」才是有助代謝的關鍵

國立中興大學食品暨應用生物科技學系特聘教授蔣恩沛指出,過去許多研究都發現「限時進餐」或「限制進餐量」具有代謝益處,並延長小鼠的壽命。然而這些發現並無法釐清,哪些是純粹因為減少熱量攝入引起的好處,而哪些是因實驗要控制卡路里而無形中施加了禁食所致。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本研究在小鼠實驗中發現,限制卡路里的飲食方式,促成葡萄糖代謝、虛弱和壽命的各項改善,其實需透過「禁食」來達成。研究推翻了長期以來認為卡路里限制飲食對哺乳動物有益僅是由於減少總熱量攝取的觀點,並強調當中的「禁食行為」才是有助代謝(例如提升胰島素敏感性)和延緩老化這些保護作用的重要原因。

研究結果揭示了我們何時以及吃多少食物,如何調節代謝健康和壽命,並證明每天延長禁食,而不僅僅是減少熱量攝入,可能是熱量限制飲食對改進代謝和延緩老化的原因。過去已有研究表明,延長兩餐間隔對健康有益,本研究結果與過去研究也有相當的一致性。

蔣恩沛表示,人類老化過程中所伴隨的退化過程和疾病,有許多變因,除了攝食量、飲食方式、種類,還有基因、環境因素,甚至腸道菌相,均可能扮演角色,遠比實驗動物複雜。然而可以確定的是,限制熱量攝取可提供代謝上的益處,並可能減緩衰老、延長壽命。

圖/Pexels

本文編譯自科學期刊文章,完整文章來源:

參考資料:

所有討論 1
台灣科技媒體中心_96
46 篇文章 ・ 327 位粉絲
台灣科技媒體中心希望架構一個具跨領域溝通性質的科學新聞平台,提供正確的科學新聞素材與科學新聞專題探討。

2

13
5

文字

分享

2
13
5
隱形斗篷能成真?氣泡水蘊藏著超穎材料!——專訪國立中央大學光電系欒丕綱教授
科技大觀園_96
・2021/07/14 ・4121字 ・閱讀時間約 8 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

超穎材料(Metamaterial,或稱超材料)泛稱一種具有特殊性質的人造材料,以人工排列的方式,調整材料的幾何形狀、晶格結構、尺寸和方向,展現出原本材料不具有的電磁特性:能阻擋、吸收、增強或彎曲光波、電磁波,來獲得超越傳統材料的優勢。不只如此,利用超穎材料的漸變折射率特性甚至可以有「隱形」、「透明」的效果,除了對訊號傳遞有巨大的影響,還說不定能實現哈利波特的隱形斗篷!

但你知道嗎?其實從氣泡水這種常見的物質中,我們就能觀察到聲波版超穎材料特性了!這次我們邀請到國立中央大學光電系欒丕綱副教授跟我們聊聊超穎材料與水中氣泡的神奇結構。準備好了嗎?物理課上課囉!

從數學物理到超穎材料

雖然欒丕綱教授現在的研究專長為光子晶體、聲子晶體,以及超穎材料,但其實教授最早是做數學物理方面的研究喔!教授博士研究時期,因為菲爾茲獎初次頒發給三位研究楊-巴克斯特方程相關問題的物理學家,使得這個領域正炙手可熱,欒丕綱教授便跟隨他的指導教授,顏晃徹教授,一起投入楊-巴克斯特方程的相關研究。畢業後,欒丕綱教授成為宏碁電腦的 EMI 工程師,負責控制3C產品的電磁輻射值,但教授認為自己還是適合學術研究,便回到學術圈,成為葉真教授的博士後研究員。

當時葉真教授主要研究領域是水中氣泡對聲波的散射,探討波的傳播行為在複雜散射下的變化,欒丕綱教授發現聲波的方程式和電磁波、光波其實很類似,才正式切入到光子晶體的研究。並且很幸運地,剛好遇到了一個新研究領域的誕生——負折射現象。人們發現負折射現象可以藉由特殊設計的負折射率超材料(Negative-index metamaterial,NIM,又稱左手材料 left-handed media)而實現,由此開啟了超穎材料的大量研究。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

楊-巴克斯特方程(Yang–Baxter equation),以楊振寧和羅德尼·巴克斯特命名:在羅德尼·巴克斯特的統計力學模型研究以及楊振寧的量子力學一維硬球多體碰撞問題研究中,楊-巴克斯特方程都是問題可解的自
洽條件 (consistency condition)。如果楊-巴克斯特方程可以解,則我們就能從統計模型中解出自由能與臨界指數,或是從這個多粒子一維碰撞模型中得到能譜、波函數……等資訊。

當R矩陣滿足楊-巴克斯特方程,多粒子一維模型就能解。圖/Wikipedia

看我把光通通抓住!——光子晶體

光子晶體(Photonic crystal),是將折射率大的介質與折射率小的介質交錯重複排列製成的週期性光學結構。將各種頻率的光波、電磁波打進這類週期性排列的介質就能觀察到光子能隙(photonic energy gap)的表現。

灰色區域是能隙,表示在完全週期結構下,某段頻率的光會被擋下來,無法在這種介質傳播。(縱軸:頻率,橫軸:波的傳播方向)圖/欒丕綱教授提供

當電磁波在折射率不一的介質中傳播時,不只會改變波行進的速度,還會出現內部反射與原波做疊加的現象,形成建設性干涉或破壞性干涉。只有經過精密的計算,才能得出特定頻率入射特定結構能不能剛好全部都出現破壞性干涉,成功將電磁波「堵死」,把光抓住。

這種高維規則光學結構直到大約 30 年前才被提出來,1987 年,埃利·雅布羅諾維奇(Eli Yablonovitch)和薩耶夫·約翰(Sajeev John)分別發表研究:雅布羅諾維奇的出發點是想要製造一種材料來把光鎖在共振腔裡,就能跟原子不斷產生交互作用,以便應用在雷射技術上;約翰則是想先藉由週期介質產生能隙,再微微弄亂此結構,來實現光波的安德森局域化(Anderson Localization)。至此,科學界才跳脫以往一維多層膜結構的思維模式往高維度發展。

由左而右分別是一維、二維和三維的光子晶體結構。圖/欒丕綱教授提供

如果說超穎材料是特定頻率範圍的光子晶體,那麼這兩者差別在於:光子晶體強調的是介電質週期性反差,超穎材料則是指具有局部共振特性的週期結構,通常含有金屬。

三件超材的聖物:負折射、左手材料、隱形斗篷

超穎材料最特別的就是他可以具有負的電磁介質參數特性。在天然的離子晶體中,當電磁波入射介質後若激發聲子(phonon,晶格中原子的震動模式)並且跟他偶合的話,就會出現電磁極化子(polariton)的現象,形成一種能開出光子頻隙的新波。超穎材料利用人工設計的局部共振結構與入射的電磁波作用,去模仿上述的機制。這時,介電常數εr或磁導率μr就會變成負的:如果其中之一是負的,我們稱為單負材料,會產生能擋住波的頻隙;如果兩者都是是負的,則是雙負材料,頻隙消失、電磁波通過,但會出現能量傳遞的方向跟相位傳遞方向相反的負折射現象。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

既然負的介質參數是可以實現的,那麼設計隨位置漸變的介質參數也就不成問題。講到此就不能不提因提出「完美透鏡」(perfect lens) 與可行的隱形斗篷理論而聞名的科學家——約翰·彭德里爵士(Sir John Pendry)。2000 年,彭德里爵士在理論上發現用折射率接近 -1 的左手材料平板可做成透鏡聚焦點狀光源發出的光。不僅如此,通過平板聚焦的光源可以小到甚至比波長還要小,在科學界造成非常大的轟動!

從波動光學的概念來看,光波都有波長,理論上再怎麼聚焦都無法聚焦成比波長還小的點,但彭德里爵士的平板透鏡卻做到了。其實是因為在一般光學現象,光源附近那些沒有幅射出去的電磁場是看不到的,只有在靠近這個負折射特殊平板透鏡時,會剛好誘發表面電漿共振(Surface plasmon resonance)可以把消逝波(evanescent wave)放大之後幫助成像,就有機會出現成像的寬度比波長還小的現象,也就是所謂的次波長成像 (subwavelength imaging)。

那麼將要隱形的物體周圍用可吸收電磁波的材料包起來就看不到了嗎?事情可沒那麼簡單!根據幾何光學,人類視覺感知物體依靠的是光直線傳播的特性,大腦會沿著傳入眼睛的光線反向直線延伸來建構畫面。當光打到隱形斗篷時,光除了要繞過這個物體外,光進來的方向跟出去的方向還要相同才能騙過眼睛,成功「隱形」。如果可以準確調控超穎材料各個方向的介電常數或磁導率,就能決定光的傳播行為,製作出隱形斗篷了!

匿蹤戰機(stealth aircraft)是軍方的「隱形飛機」,以雷達波吸收材料和特殊機體來避免被雷達偵測,但匿蹤戰機只躲得過雷達偵測,飛機本身還是有影子。如果是使用超穎材料隱形斗篷包裹機身,光線會直接繞過機身,連影子都看不到。圖/Wikipedia

水中氣泡的負特性

除了電磁波版本的超穎材料之外,也有聲波版本的超穎材料。利用週期排列的聲波共振結構,可以設計出具有等效的負質量密度或負彈性模量的聲波超穎材料。也可以結合此兩者做出聲波版本的負折射介質。最初欒丕綱教授觀察到氣泡水不但共振非常明顯,且不依賴週期性結構,只要有大量散射體(氣泡)就可以有效阻擋聲波的特質無疑與超穎材料有一定的相似性,但卻一直找不到方法證明氣泡水的負特性,像是負彈性模量(negative elastic modulus)、負質量(negative mass)……等等。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

什麼是負質量?

香港科技大學曾經在2000年製作了一個模型,將一顆硬球外面包矽膠後放到背景介質裡。將硬球想像成振子、矽膠想像成彈簧,背景介質想成裝著以上振子的盒子。當外部施力來回運動時,如果頻率低,外部盒子與硬球的移動會一致;頻率高時,兩者很可能是反向運動。科學家觀察到在某一個頻段,加速度和施力方向相反,剛好可使盒子系統的等效質量為負,形成負質量密度超穎材料。

後來欒丕綱教授從負彈性模量聲學超材料和海洋聲學得到靈感:考慮一顆氣泡被聲波打到並散射時,表現出的行為比起單一氣泡特性,更像是氣泡外面圍著一層水,再將徑向振子(radial oscillation)放到這層水裡散射聲波。如果將每一個氣泡想像成一個個徑向振子再做成週期排列,就能使彈性係數變成負的,擠壓它會膨脹,拉扯它就會收縮,證明氣泡水真的有類似超穎材料的負特性。

不僅如此,因為模型的參數簡單,我們還能利用聲波打到氣泡散射時的反應得到更多資訊。像是假設把聲波打到比波長小很多的氣泡時,會產生往四面八方散射的球面波,利用球面波得知氣泡表面膨脹、壓縮的運動模式就能回推外圍水的體積為氣泡的三倍。

超穎材料已經悄悄出現在你的生活四周

超穎材料不是一種特定材料,而是一個將結構視為材料的概念

欒丕綱教授認為超穎材料解放人們對材料的認知,應用上讓思想更加靈活。在使用新材料時,不再只是運用化學反應產物當作原料,單純改變產品形狀也是一種運用材料的方式。以這種思考模式,那麼氣泡水能在特定頻段開一個頻隙,帶有超穎材料的特性,那是不是這種現象不限於水?其他材質也可以做到嗎?其實有些隔音材料就是使用含有空隙的高分子材料製成的,以高精度的納米技術多層次疊加材料,並將每層的控制在小於波長的厚度,就能利用間距導致特定頻率的散射,控制聲波信號,用途包括非破壞檢測(Nondestructive testing,NDT)、醫療器材和隔音設備。

除了聲音過濾,目前超穎材料還應用在天線、吸收塗層、鏡頭、雷達和抗震材。其中欒丕綱教授最看好的是在天線方面的應用,使用刻意設計的超穎材料製作天線,不只能增強天線的輻射功率,還能大幅縮小天線佔據的空間(天線長得都不天線了),同時具有小尺寸、高方向性和可調諧頻率等特性,未來說不定還可能跟 5G 結合,創造更多價值。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
超材料天線尺寸可以到非常小,圖中為美國國家標準暨技術研究院(NIST)的Z天線,邊長只有30毫米。圖/Wikipedia

參考資料

所有討論 2
科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1124 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。